新技术专题研究报告.docx
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新技术专题研究报告
课程研究报告
题目：
院部：
电气工程学院
专业年级：
电气工程2016届
学生姓名：
学号：
2017年2月28日
１引言
1.1本文研究的背景意义
能源是人类生存和发展的重要基石，是社会经济运行的动力和基础。
每一次工业革命都离不开能源类型和使用方式的革新，推动着人类社会的发展和进步。
随着传统化石能源逐渐枯竭及其广泛利用引起的气候变化等环境污染问题日益深化，大规模利用分布式可再生能源，改变了石油时代的高碳化能源消费结构，如何建立高效、安全、可持续的能源利用模式是人类社会可持续发展过程中面临的重大难题之一。
目前，第三次工业革命正在世界范围内发生，为满足社会经济、可持续发展的需求，出现了能源互联网[1-2]。
能源互联网是第三次工业革命的核心之一，是未来能源行业的方向。
发展能源互联网将从根本上改变对传统能源利用模式的依赖，推动传统产业向以可再生能源和信息网络位为基础的新兴产业转变，是对人类社会生活方式的一次根本性革命。
《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出，“将推进能源与信息等领域新技术深度融合，统筹能源互联网”。
当前我国正处在能源革命的关键时期，国家能源局《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》的发布，将在能源技术、生产、供应等多个环节激发“链式变革”，是推进我国能源革命的必然选择。
1.2能源互联网的发展动态与现状
国外方面，美国学者（团体）主要侧重研究能源互联网的架构设计,德国学者（政府）侧重于研究能源互联网的支撑网络——信息通信网络，其他团体研究能源路由器、固态变压器及能源互联网的管理控制策略[3—13]；国内方面，学者们主要侧重于能源互联网的概念、架构、组成元件等研究[14-21]。
2.2.1国外能源互联网的发展动态与现状
能源关系着工业的发展和社会的进步，能源的变革，势必会对工业及社会产生深远影响。
鉴于此，许多发达国家和机构，包括美国、德国及跨国公司纷纷投入了大笔资金，组织大批专家学者及研究团队对能源互联网进行了广泛的初始探索研究，但目前仍处于起步阶段。
2004年TheEconomist发表了BuildingtheEnergyInternet，首次提出建设能源互联网，通过借鉴互联网自愈和即插即用的特点，将传统的电网转变为智能、响应和自愈的数字网络，支持分布式发电和储能设备的接入，以减少大停电及其影响。
此后国际上针对能源互联网进行了广泛的研究，着力研究下一代能源系统。
2011年美国学者杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革命》中提出能源互联网是第三次工业革命的核心之一，得能源互联网被更多的人关注，产生了较大的影响。
2008年12月德国联邦经济和技术部发起了一个技术创新促进计划，以信息通信技术为基础构建未来能源系统，着手开发和测试能源互联网的核心技术。
之后，德国联邦政府发起E-Energy，并将其作为国家性的“灯塔项目”，旨在推动基于ICT技术的高效能源系统项目，致力于能源的生产、输送、消费和储能环节之间的智能化。
表1-1德国E-Energy项目的主要内容
项目名称
项目内容
库克斯港的
eTelligence项目
综合调节大规模风力发电与供热需求
（如海产品冷藏仓库和温泉热电联产）
+利用价格杠杆进行自动控制。
哈茨可再生能源示范区的
RegModHarz项目
分散风力、太阳能、生物质等可再生
能源发电设备与抽水蓄能水电站进行协调，
可再生能源联合循环利用达到最优。
莱茵-鲁尔地区的
E-DeMa项目
电力系统与居民用户之间的互动，
使消费者可同时扮演发电者与电力消耗者角色。
亚琛的SmartWatts项目
完全自由零售市场示范，期望零售商能够
完全自由地购售电，多角度提升电网的效率。
莱茵-内卡（曼海姆）地区的
MOMA项目
电价型用户需求响应，通过网关
直接控制次日价格的科学用电。
斯图加特的MEREGIO项目
利用智能电能表、ICT技术，
期望实现有效控制
减排效果。
2011年欧洲启动了未来智能能源互联网项目，该项目的核心在于构建未来能源互联网的ICT平台，支撑配电系统的智能化；通过分析智能能源场景，识别ICT需求，开发参考架构并准备欧洲范围内的实验，最终形成欧洲智能能源基础设施的未来能源互联网ICT平台。
VisionofFutureEenergyNetworks项目由瑞士联邦政府能源办公室和产业部共同发起，其重点是研究多能源传输系统的利用和分布式能源的转换和存储，开发相应的系统仿真分析模型和软件工具。
该项目提出未来能源互联网包含两个元素，一是通过混合能源路由器集成能源转换和存储设备；二是通过能源内部互联器实现不同能源的组合传输。
2008年，美国国家科学基金项目在北卡州立大学启动“未来可再生电能传输与管理系统”，并建立了FREEDM系统研究院，由17个科研院所和30余个工业伙伴共同参与。
该项目重点研究适应高渗透率分布式可再生能源发电和分布式储能并网的高效配网系统，并称之为能源互联网。
FREEDM项目的核心在于将电力电子技术和信息技术引入电力系统，效仿通信网络中路由器的概念提出能源路由器的概念并实施初步开发，以希望在未来的配电网层面构建能源互联网，实现分布对等的系统控制与交互。
2010年日本启动“智能能源共同体”计划，开展能源和智能电网等领域的研究。
2011年，日本开始推广“数字电网”计划，该计划是基于互联网的启发，构建一种基于各种电网设备的IP来实现信息和能源传递的新型能源网。
通过提供异步连接、协调局域网内部以及不同局域网系统的数字电网路由器，并将其与现有电网及互联网相连，通过相当于互联网地址的IP地址识别发电设备及用电设备在内的装置，由此进行统筹管理与能量调度。
由上尽管各国认知方式的侧重点有所不同，但都是将互联网技术运用到能源系统，把一个集中式、单向的、生产者控制的能源系统，转变成大量分布式辅以较少的集中式的新能源与更多的消费者互动的能源系统以，提高可再生能源的比重，实现多元能源的有效互联和高效利用。
2.2.2国内能源互联网的发展动态与现状
早在20世纪80年代，清华大学前校长高景德提出了CCCP（现代电力系统是计算机、通信、控制与电力系统以及电力电子技术的深度融合）的概念。
国内快速发展的智能电网也不断强调信息技术与现代电网的紧密结合。
2012年8月，首届中国能源互联网发展战略论坛在长沙举行，对能源互联网概念进行了初步介绍。
2013年12月，北京市科委组织“第三次工业革命”和“能源互联网”专家研讨会。
2014年2月国家能源局委托江苏现代低碳技术研究院开展“能源互联网战略研究”课题。
2014年6月，中国电力科学研究院牵头承担国家电网公司基础前瞻性项目“能源互联网技术架构研究”，着力构建未来能源互联网构架，搭建相应的能源互联网研究平台。
中国科学院学部开展“我国新能源系统战略研究”课题，提出了新一代能源系统的理念。
随着党的十八大提出能源革命战略、2015年政府工作报告推出“互联网＋”行动计划，能源与互联网正不断实现深度融合，极大地促进了国内能源互联网的发展。
2015年4月，国家能源局首次召开能源互联网工作会议。
2015年4月，由清华大学发起并组织，以“能源互联网：
前沿科学问题与关键技术”为主题的香山科学会议在北京香山饭店召开，为我国能源互联网的发展建言献策，在国内外产生了重要影响。
2015年6月，国家能源局开展“国家能源互联网行动计划战略研究”并将其作为国家“互联网＋”行动计划的重要载体，由清华大学牵头承担其中能源互联网的形态特征、关键技术和技术标准、商业模式、效益评价等五个重点课题。
2016年2月，国家发改委、能源局、工信部联合发布国家能源互联网纲领性文件《关于推进互联网＋智慧能源发展的指导意见》，提出了能源互联网的路线图，明确了推进能源互联网发展的指导思想、基本原则、重点任务和组织实施。
2016年3月，国家“十三五规划”纲要明确提出“将推进能源与信息等领域新技术深度融合统筹能源与通信、交通等基础设施网络建设，建设“源-网-荷-储”协调发展、集成互补的能源互联网”。
2016年4月，国家发改委能源局正式发布《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，为未来我国能源互联网技术的发展制定了行动计划。
目前，中电联牵头并组组清华大学等高校和科研机构正在开展国际能源互联网系统标准的制定。
此外，清华大学、国防科技大学、华北电力大学、天津大学、中国电力科学研究院等高校与科研机构，从能源互联网的基本性概念、形态发展模式、路径技术框架及关键技术分析等方面开展了广泛的研究。
从目前的情况来看，能源互联网已经受到了国内各级政府和研究机构的高度重视，能源互联网的概念与技术也已在国内引起越来越广泛的关注，正逐渐由以基础性研究为主的概念阶段向以应用性研究为主的起步阶段转变。
1.3本文的主要内容
本文首先阐述了能源互联网的概念，对能源互联网与智能电网、综合能源网系统的异同点进行了分析，然后重点介绍了国内外多能源的综合能源系统的建设与发展，并对北京市海淀北部地区能源互联网示范区的建设和发展进行了分析。
２能源互联网
2.1能源互联网概念和体系架构
2.1.1能源互联网概念
能源互联网是以可再生能源为优先，电能为基础，其他能源为补充的集中式和分布式互相协同的多元能源结构，同时通过以互联网技术为管控运营平台，实现多种能源系统需供互动、有序配置，进而促进社会经济低碳、智能、高效的平衡发展的新型生态化能源系统。
能源互联网也可理解为综合运用先进的电力电子技术,信息技术和智能管理技术,将大量由分布式能量采集装置,分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。
从政府管理者视角来看，能源互联网是兼容传统电网的，可以充分、广泛和有效地利用分布式可再生能源的、满足用户多样化电力需求的一种新型能源体系结构；从运营者视角来看，能源互联网是能够与消费者互动的、存在竞争的一个能源消费市场，只有提高能源服务质量，才能赢得市场竞争；从消费者视角来看，能源互联网不仅具备传统电网所具备的供电功能，还为各类消费者提供了一个公共的能源交换与共享平台。
能源互联网具备如下五大特征：
1）可再生：
可再生能源是能源互联网的主要能量供应来源。
可再生能源发电具有间歇性、波动性，其大规模接入对电网的稳定性产生冲击，从而促使传统的能源网络转型为能源互联网。
2）分布式：
由于可再生能源的分散特性，为了最大效率的收集和使用可再生能源，需要建立就地收集、存储和使用能源的网络，这些能源网络单个规模小，分布范围广，每个微型能源网络构成能源互联网的一个节点。
3）互联性：
大范围分布式的微型能源网络并不能全部保证自给自足，需要联起来进行能量交换才能平衡能量的供给与需求。
能源互联网关注将分布式发电装置、储能装置和负载组成的微型能源网络互联起来，而传统电网更关注如何将这些要素“接进来”。
4）开放性：
能源互联网应该是一个对等、扁平和能量双向流动的能源共享网络，发电装置、储能装置和负载能够“即插即用”，只要符合互操作标准，这种接入是自主的，从能量交换的角度看没有一个网络节点比其它节点更重要。
5）智能化：
能源互联网中能源的产生、传输、转换和使用都应该具备一定的智能。
能源互联网与其他形式的电力系统相比，具有以下4个关键技术特征：
1）可再生能源高渗透率：
能源互联网中将接入大量各类分布式可再生能源发电系统，在可再生能源高渗透率的环境下，能源互联网的控制管理与传统电网之间存在很大不同,需要研究由此带来的一系列新的科学与技术问题。
2）非线性随机特性：
分布式可再生能源是未来能源互联网的主体，但可再生能源具有很大的不确定性和不可控性，同时考虑实时电价，运行模式变化，用户侧响应，负载变化等因素的随机特性，能源互联网将呈现复杂的随机特性，其控制优化和调度将面临更大挑战。
3）多源大数据特性：
能源互联网工作在高度信息化的环境中，随着分布式电源并网，储能及需求侧响应的实施，包括气象信息，用户用电特征，储能状态等多种来源的海量信息。
而且，随着高级量测技术的普及和应用，能源互联网中具有量测功能的智能终端的数量将会大大增加，所产生的数据量也将急剧增大。
4）多尺度动态特性能源互联网是一个物质，能量与信息深度耦合的系统，是物理空间、能量空间、信息空间乃至社会空间耦合的多域，多层次关联，包含连续动态行为、离散动态行为和混沌有意识行为的复杂系统。
作为社会、信息、物理相互依存的超大规模复合网络，与传统电网相比，具有更广阔的开放性和更大的系统复杂性，呈现出复杂的，不同尺度的动态特性。
2.1.2能源互联网体系构架
图2-1给出了信息和能源融合下的能源互联网体系架构示意图。
图2-1中：
双向箭头表示信息流；单向箭头表示能量流。
由图2-1可看出，能源互联网是在搭建在能源互联开放平台的基础上，以电网为核心基础网络设施，形成一个涉及智能电网、智能气网、智能热网和电气化交通网的复杂多网流系统。
图2-1能源互联网体系架构示意图
能源互联开放平台是一个具备完善安全策略且具有互联开放特性的综合信息处理平台。
在此平台下，互联信息网络通过在电网、燃气网、热网、交通网等能源系统范围内装设海量信息采集和传感设备，采集各种能源设备运行状态及各能源系统的实时运转状况等海量信息，并通过云计算和大数据技术对海量信息进行分析处理，进而搭建能源交易平台支持各项能源交易。
多能源协调管理系统根据气、热、电等能源行业的运转情况，从系统安全运行、能源价值最大化、多能源交易准则和法规的角度对多种能源交易和能源资源配置进行协调管理，保障能源的安全高效供应以及能源互联网的健康发展。
能源互联网中集中式与分布式可再生能源发电、大容量储能系统的接入实现了能源供用关系的灵活转换，同时也形成了多元市场主体并通过能源交易平台完成电能交易、可再生能源配额交易等业务。
在能源互联网中，用户可借助能源互联网清晰地了解需求侧能源需求状况，并借助系统控制网络实现能源储备和能源需求的匹配，同时用户也可参与供电供热环节，借助能源交易平台与分布式能源储能开展能源在线交易、转售等业务。
对于复杂多网流系统，由图2-1可看出，能源互联网由智能电网、智能气网、智能热网、电气化交通网紧密耦合构成，并且网络间存有能量流与信息流的双向流动，从而形成一个复杂多网流系统。
该系统是以电能作为各种不同形式能源之间相互转化的枢纽，电网与交通网通过电动汽车充放电设施及车主驾驶、充电行为相互影响，电网与天然气网通过燃气发电和近年来出现的电转气技术[22-23]实现能量双向流动。
首先，在电网与电气化交通网的耦合方面，由于未来大规模电动汽车接入电网，电动汽车充电站与换电站的布局、车主驾驶习惯以及充电行为将会对交通流量产生影响，而交通网的实时流量也会反过来影响车主充电时间和特性，从而影响电网正常运行；其次，在电网与天然气网的耦合方面，随着可再生能源发电的大力推广以及“页岩气革命”不断深化带来天然气开发成本的下降，燃气发电的比重将会日益增加，加上日益成熟的电转气技术，若将电转气设施与可再生能源发电机组联合运行，将可能进一步推动电网和天然气网的深度融合。
此外，利用热电联产系统和可再生能源发电供热技术可实现电能与热能转换，并进一步发展热-电联合系统，也将是能源互联网建设中不可或缺的重要部分。
能源互联网是综合利用可再生能源发电技术、智能输电网技术、互联网信息技术、系统规划分析技术，融合电网、天然气网络、热网与电气化交通网，形成多种能源高效利用的能源共享网络。
能源互联网的理想运营方式应为以电网为主导，涉及能源生产者与消费者、能源网络运营商、能源代理商等主体的多行业共同参与的联合运营模式。
随着能源与信息的深度融合，能源行业在走向互联高效的过程中，在能源材料及设备，能源生产、交易、消费以及能源资产等方面都将会衍生出新的商业模式，具体包括能源材料及设备的线下市场，B2B（businesstobusiness）行业垂直电商；基于大数据的第三方工业节能商业模式，节能解决方案；从事能源产品交易的能源交易平台，能源资产的利用和代理运营服务，能源资产证券化的互联网金融，能源资产的电子商务；基于大数据的用能咨询方面的能源增值服务，新能源汽车产业等。
2.1.3能源互联网体系关键技术
随着未来能源互联网中大量分布式和集中式可再生能源的接入，能源互联网将呈现出复杂的非线性随机波动特性。
为有效推动能源互联网的发展，需要在可再生能源生产、传输、存储、服务环节中的关键技术以及能源互联网的系统规划分析技术方面进行研究，以促进未来能源互联网的发展。
1）可再生能源发电技术
清洁替代和电能替代表明“以清洁能源为主导、以电为中心”的能源格局将是能源消费与变革的必然趋势，这也决定了可再生能源发电技术在未来能源发展中的关键作用。
以清洁能源为主导的可再生能源发电技术的突破是构建能源互联网的动力之源，可再生能源发电技术主要包括有集中式与分布式风电、太阳能发电技术，运行控制技术，能量转换技术等。
其重点研究领域包括风电精准预测与运行调控技术、风电单机容量大型化技术、变速恒频风电系统的商业化开发、高转化效率的光伏材料研发、不同新能源发电系统联合优化运行技术、间歇式可再生能源发电的系统保护技术、大规模新能源发电并网控制技术、智能控制与群控优化技术、先进的分布式电源设备制造技术、分布式能源的智能管理系统、动力与能源转换设备研发、资源深度利用技术等。
2）智能输电网技术
在以智能电网为主要载体的能源互联网中，可再生能源将成为发电主体，而智能输电网技术是实现大规模可再生能源发电外送和能源资源大范围优化配置的关键技术手段，该技术主要是围绕电网输电各环节，重点在先进输电材料与设备，输电能力以及输电经济性、灵活性、安全性、环境友好等方面进行研究。
其重点研究领域包括高可靠性的换流阀，换流变压器，逆变器等输电设备制造；柔性直流输电技术，多端直流输电技术，超导输电技术，海底电缆技术；基于换流设备的控制保护技术，先进电力电子控制技术，电磁环境与噪声控制技术；直流电网技术，大电网优化运行与仿真技术，电网故障诊断恢复与智能重构技术，电网调度预警与决策支持技术，电网安全防御技术等。
3）储能技术
大容量、规模化储能技术是实现能源利用形式多样化、提高能源利用效率中的关键环节，在能源互联网中开发利用多种储能技术对整个系统的稳定性具有重要作用。
首先，在电储能方面，可再生能源发电是未来能源互联网的主要能量供应来源，而大规模可再生能源接入电网所带来的非线性随机波动特性，将会影响整个系统的安全性、经济性、灵活性。
据此，需要在能源网络中配置大容量储能系统来平滑可再生能源发电的间歇性和波动性，而且在能源互联网背景下对储能系统的储能材料、储能元件寿命、存储效率以及能量密度等方面要求也更高。
在未来能源互联网中具有广泛应用前景的储能技术，至少需达到MW级/MW×h级的储能规模。
因而，锂离子电池与全钒液流电池等电化学储能技术、超级电容器与超导电磁储能、抽水储能等储能技术，应是后阶段大容量能量储存技术中重点攻关类型。
此外，开发大功率、高容量的新型储能材料，延长储能元件使用寿命，提高能量密度也是研究电储能技术中的重点方向。
其次，在储热方面，储热技术能够在一定程度上缓解能源供给和需求在时间和空间上失衡的矛盾，目前适合规模化应用的储热技术有水储热、熔融盐储热、相变储热等。
由于相变储热能够在几乎无温度变化的情况下实现热能储存，且具有传热速率高、储热密度大的显著优势，在储热环节中具有广泛应用前景，可在新型相变储热材料的开发与选择、相变储热材料在储热装置中的模拟试验等方面开展研究。
最后，在天然气储运方面，相比于管道储运，天然气水合物储运具有储存密度高、投资运行费用低且安全性高的优势，在天然气网中的应用市场和发展潜力较大，但目前关于天然气水合物储运技术研究还不成熟，后续应重点加强在水合物的大规模快速生成与运输中的安全问题、确定天然气水合物储运条件、水合物的有效分离手段及分解方法等方面的研究。
4）互联网信息技术
在能源互联网中，互联网信息技术负责能源信息的识别、采集、分析、传送、管理等方面，是实现多种能源合理调配的关键。
能源互联网是信息与能源系统融合的多种能源互联网络，具有通信设备繁多（包括发电设备、各种智能负载等）、通信信息内容复杂、信息数据处理量大等特点。
为适应能源的发展，迫切需要在互联网信息技术领域取得创新和突破。
在能源信息采集和处理方面，应在基于物联网的信息采集与传输，基于云计算架构的能源信息处理，包含海量数据采集、预处理、存储、等功能的大数据技术等方面进行重点研究。
在互联网信息通信方面，可研究利用软件定义网络（softwaredefinednetwork，SDN）、以信息为中心的网络（information-centricnetworking，ICN）等与能量传输特点相匹配的新型通信网络技术，以支撑能源互联网的建设。
在设备与平台方面，应重点尝试研制具有产业化前景的中低压大容量的能源路由器、能源交换机、开发适应能源互联网业务要求的信息支撑平台。
在通信安全、传输协议和标准方面，系统接口标准和传输协议标准的统一，能源互联网开放平台标准以及跨能源域、多种形式能源实体的互联协议等方面也亟需取得重大突破。
5）系统规划分析技术
能源互联网是互联网信息技术和可再生能源相结合的产物，发展能源互联网涉及电力与能源、材料科学、控制科学、信息通信等多个学科技术领域交叉。
与传统的自顶向下的电力系统相比，能源互联网具有更广泛的开放性和更大的系统复杂性。
开展能源互联网系统规划分析技术研究，用系统的思想去顶层谋划、用系统规划分析技术去研究，对构建双向互动、自治高效的能源互联网体系具有重大价值。
由于未来能源互联网中能量流动和网络拓扑的变化可能会受市场电价、能源政策的影响以及考虑到多种能源网络与信息网络的融合、能源供需不确定性等特征，可主要从能源互联网体系结构设计与优化、能源交易的技术规范和配套政策、多种能源协同优化调控分析、含多种能源网络的统筹规划方法、能源互联网体系的系统规划设计等方面进行重点研究，以确保能源互联网的健康发展与安全高效运行。
2.2能源互联网与综合能源网系统、智能电网
2.2.1能源互联网与综合能源网系统
能源互联网和综合能源系统均追求可再生能源的规模化开发（开源）以及能源利用效率显著提升（节流），其最终目的都是为了解决能源可持续供应以及环境污染等问题，但两者关注点各有侧重，存在如下显著不同:
图2-2综合能源系统示意图
1）综合能源系统主要着眼于解决能源系统自身面临的问题和发展需求，而能源互联网则更强调能源系统的互联及于ICT技术的深度融合。
对于能源系统自身而言，随着社会对各类能源需求的不断增加，不同形式能源之间耦合日益紧密，以往不同能源系统各自独立运行的状况，越来越难以适应未来社会的能源需求。
从单一能源系统跳出，站在更高层次上对多种能源进行协调优化，以满足人类日益增长的用能需求，是社会发展的必然结果，也是催生综合能源系统的内在动力。
因此，综合能源系统更强调不同能源间的协同优化，而不过分倚重网络互联和ICT技术，因为即使一个孤立的微网系统，同时采用较为传统的控制手段，也能达到能效提升、满足用户多样性需求的目的。
能源互联网可看作是互联网理念向能源系统渗透或对能源系统再造的产物，因此它更强调能源网络的互联，追求的目标包含了目前互联网所具有的诸多特征（如对等开放、即插即用、广泛分布、双向传输、高度智能、实时响应等），因此它特别强调互联网及ICT技术与能源系统的深度融合。
正是由于上述特点，综合能源系统研究更受传统能源领域学者和企业关注，能源互联网则更为IT行业所推崇，这些企业已成为能源互联网的一个重要推动力量。
2）综合能源系统研究不过分强
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